Epilepsia y Canales de Sodio Activados por Voltaje.

Las canalopatías o patologías causadas debido a alguna mutación en los canales iónicos, son las responsables de algunos de los procesos que afectan al sistema nervioso central y neuromuscular.

Los canales de sodio activados por voltaje (ver figura), son esenciales para el inicio y la propagación del potencial de acción en neuronas. El canal del sodio está constituido por una subunidad alfa de aproximadamente 2000 residuos aminoacídicos y por una o dos subunidades beta de aproximadamente 220 aminoácidos, de las que hasta ahora se conocen cuatro formas (b1-b4). La subunidad a presenta 4 dominios estructuralmente homólogos (DI-DIV), cada uno de los cuales está formado por 6 segmentos transmembrana (S1-S6). Los segmentos transmembrana S5-S6 junto a su respectivo lazo de unión extracelular, son los encargados de formar el poro del canal, el cual tendrá como tarea controlar la selectividad y permeabilidad iónica. Además, a lo largo de cada uno de los segmentos S4 del canal, luego de tres residuos se encuentra un aminoácido cargado positivamente (arginina o lisina). El movimiento de estas cargas en respuesta a cambios en el potencial de membrana da origen a las corrientes de compuerta o corrientes de gating. Por esta razón se ha determinado que estas zonas corresponderían a los sensores de voltaje del canal, provocando la rápida activación del mismo en respuesta a la despolarización de la membrana. Después de la despolarización, el canal no es capaz de abrirse nuevamente sino hasta que haya transcurrido un cierto tiempo. Esta inactivación sigue dos tipos de cinética: la inactivación rápida, que tiene lugar al cabo de unos milisegundos, y la inactivación lenta, que se asocia a una corriente de sodio tardía o sostenida durante cientos de milisegundos. Algunas de las regiones del canal de sodio responsables de la inactivación rápida son la zona IFM ubicada entre DIII y DIV, la zona de unión intracelular entre S4-S5 de DIII y DIV y por supuesto, el poro del canal.

Cada subunidad a del canal de sodio lleva asociado una o más subunidades b, las cuales son glicoproteínas que presentan sólo un dominio transmembrana con un prominente amino terminal extracelular y un pequeño carboxilo terminal intracelular. La asociación de la subunidad b a la subunidad a, presenta más que nada una función regulatoria ya que principalmente influye en el nivel de expresión del canal en la superficie celular, en la dependencia de voltaje y en la cinética de la subunidad a, así como en su asociación con moléculas de señalización y del citoesqueleto, no obstante, la sola expresión de la subunidad a, es necesaria y suficiente para formar canales de Na⁺ funcionales. 

Subunidades a y b del canal de sodio activado por voltaje donde los cuatro dominios homólogos de la subunidad a se representan por un color diferente. Imagen tomada de J Clin Invest. 2005; 115(8):2010 doi:10.1172/JCI25466.

Hasta la fecha se han detectado más de 200 mutaciones diferentes en los canales de sodio de pacientes que sufren algún grado de epilepsia. A continuación veremos algunos ejemplos:

-         Mutaciones en el canal de sodio y el GEFS+

GEFS significa síndrome de epilepsia generalizada con convulsiones febriles plus. Es una epilepsia dominante caracterizada por convulsiones febriles en niños, la cual progresa en el tiempo hasta convertirse en una epilepsia generalizada en adultos. El síndrome se describió inicialmente en una familia que presentaba 25 individuos afectados. Dentro de la familia se podían detectar varios fenotipos siendo más frecuente el de ‘convulsiones febriles plus’ (CF+) en niños con convulsiones febriles de inicio precoz que persistían más allá de los seis años, esto venía acompañado de crisis generalizadas tonicoclónicas y solía cesar en la adolescencia media. Otros posibles fenotipos se relacionaban con diversos tipos de crisis como ausencias (CF+ y crisis de ausencias), mioclonías (CF+ y crisis mioclónicas), crisis atónicas (CF+ y crisis atónicas), epilepsia mioclónicoastática y crisis parciales complejas del lóbulo temporal (CF+ y epilepsia del lóbulo temporal).

La primera conexión entre la epilepsia y los canales de sodio se publicó en el año 1998 por el grupo de Wallace, R (Nat. Genet.1998.19:366-370) a partir de una mutación de la subunidad b1 en una familia Australiana. Los miembros de la familia afectada eran heterocigotos para una mutación missense (tipo de mutación en la que se necesita el cambio de una base nucleotídica para cambiar un aminoácido por otro) que correspondía a C121W. El canal mutante promovía la expresión de la subunidad a en la superficie celular pero no exhibía una modulación normal ni del funcionamiento del canal ni de su adhesión celular. Otro tipo de mutación que causa el mismo fenotipo, consiste en la pérdida de aminoácidos desde el domino extracelular de b1. Se piensa que mutaciones en b1 promoverían la inactivación anormal del canal de sodio provocando de este modo, una hiperexitabilidad neuronal propia de la epilepsia.

Posteriormente, en 1999, se descubrió que en dos familias que presentaban epilepsia, no era la subunidad b la afectada si no el gen SCN1A, es decir, el gen encargado de codificar para la subunidad a. Se encontró que los individuos afectados eran heterocigotos para mutaciones missense en aminoácidos altamente conservados como T875M y R1648H. Desde ese momento, se han reportado al menos 11 mutaciones missense en SCN1A para familias que presentan GEFS+, lo que corresponde a aproximadamente el 10% de los casos descritos.

-         Mutaciones en el canal de sodio y SMEI

En el 2001, en 7 pacientes que padecían de Epilepsia mioclónica severa de la infancia (SMEI) Peter De Jonghe y sus colaboradores (Am. J. Hum. Genet. 2001. 68:1327-1332) se encontraron mutaciones en el gen SCN1A. EMGI o también conocido como síndrome de Dravet constituye una de las formas de epilepsia más graves de la infancia. Suele comenzar entre los 3 y 10 meses de edad, con convulsiones que son cada vez más frecuentes y con menos fiebre; sumándose posteriormente mioclonías diarias, especialmente al despertar y crisis focales, todo eso acompañado de un importante deterioro mental. Hasta el 2005 se había detectado más de 150 mutaciones en SCN1A correspondientes a casi la mitad de los pacientes con SMEI. Al igual que en el caso de GEFS+, los pacientes son heterocigotos para los alelos mutantes. El espectro de mutaciones en SMEI difiere de las presentes en GEFS+ ya que aproximadamente la mitad de las mutaciones encontradas en pacientes con SMEI son non-sense, en las cuales se cambia un codón codificante por un codón de término, generando una proteína de menor tamaño con respecto a la original. Estas mutaciones son aleatorias y se pueden distribuir tanto en el amino terminal como en los segmentos transmembrana, o en los lazos citoplasmáticos o en el carboxilo terminal. El resto de las mutaciones son missense lo que conlleva el cambio de  un aminoácido por otro, las que como en GEFS+, se concentran en los segmentos transmembrana de la proteína.

-         Mutaciones en el gen SCN2A

Aunque los genes SCN1A y SCN2A están fuertemente relacionados, presentando un tamaño y una organización de sus exones bastante similar, hasta la fecha sólo unas pocas epilepsias han sido detectadas por mutaciones en SCN2A. Esto tal vez se puede deber a que en la mayor parte de los pacientes los análisis se habían enfocado en el gen SCN1A. Así, en pacientes con ataques epilépticos del tipo neonatal-infantil familiar benigno, el cual corresponde a un síndrome suave que se presentan en el primer año de vida pero que no progresa a epilepsia en el adulto, se ha encontrado varias mutaciones de tipo missense. Por otra parte, en el 2004 se encontró en pacientes que presentaban Epilepsia rebelde parecida al SMEI, una mutación que provocaba la aparición anticipada de un codón de término, generando una subunidad a de menor tamaño con respecto al canal de sodio silvestre. (Neurosci. 2004. 24:2690-2698).

-         Mutaciones en el gen SCN8A y los movimientos desordenados.

Determinadas mutaciones en el gen SCN8A de ratón, provoca desorden en los movimientos ya sea ataxia, distonía y/o temblores. Ciertos experimentos de inactivación condicional del gen en las neuronas cerebelares provocan una ataxia mucho más suavizada (Genesis. 2004. 39:234-239). En humanos, se ha revisado a aproximadamente 150 pacientes con desorden en el movimiento, encontrando mutaciones que generan una proteína truncada lo que probablemente causa la pérdida de función del canal (http://www.ashg.org/genetics/ashg04s/index.shtm).

De esta forma, luego de lo expuesto, queda en evidencia la importancia del correcto funcionamiento y expresión de una proteína tan importante como es el canal de sodio, ya que una simple mutación puede provocar irregularidades en la tasa de disparo de los potenciales de acción, lo que como ya hemos visto, puede afectar directamente en nuestras funciones tanto emocionales como cognitivas.

Para los más interesados, dejo el enlace donde podrán descargar el artículo de referencia.

http://www.jci.org/articles/view/25466/pdf

Diámetro del axón y Mielinización afectan la propagación

Un potencial de acción generado en un segmento de la membrana, envía una corriente despolarizante a los segmentos adyacentes, lo que a su vez lleva a que estos se vayan despolarizando de manera gradual. Recordando la ley de ohm, cuanto mayor sea la resistencia que encuentra la corriente en su camino, menor será su flujo y por lo tanto, el segmento adyacente demorará un mayor tiempo en conseguir un voltaje determinado. 

La propagación rápida del potencial de acción es importantísima y ha ido evolucionando de dos modos:

• Aumento del diámetro por la parte interna del axón: si aumenta el diámetro, la resistencia axial se hace más pequeña, por lo tanto la constante de longitud es mayor. Esta adaptación ha sido llevaba al extremo en el axón gigante de calamar, el que puede alcanzar hasta 1 mm de diámetro.

• Mielinización del axón: Este proceso, es equivalente a aumentar el grosor de la membrana axonal, multiplicado por 100, por lo tanto, aumentar la resistencia de membrana. De este modo, si en condiciones normales (axones no mielinazados) la corriente escapaba por la membrana, ahora gracias la envoltura de las células gliales, la resistencia de la membrana es mucho mayor, por lo que el potencial se propaga una distancia mucho mayor.

En una neurona con un axón mielinizado, el potencial de acción se desencadena en el segmento no mielinizado de la membrana, situado en el cono axónico. La corriente de entrada que fluye a través de esta región de la membrana queda disponible para descargar la capacitancia del axón mieliniazado situado por delante de ella. Incluso, aunque el espesor de la mielina determina que la capacitancia del axón sea muy pequeña, la cantidad de corriente que fluye por el núcleo axonal desde la zona desencadenante no es suficiente para descargar la capacitancia de toda la longitud del axón mielinizado. 

Para evitar que el potencial de acción se agote, la vaina de mielina se interrumpe cada 1 o 2 mm en los llamados nodos de Ranvier, el cual no es más que superficie de la membrana desnuda, sin vaina de mielina. Este nodo, mide hasta un par de micrómetros, siendo extremadamente rica en canales de sodio sensibles a voltaje. Estos nodos, se distribuyen de forma regular a lo largo de axón, por lo que evitan que el potencial se agote y gracias a la propiedades de adición, los potenciales se van sumando lo que lleva a un aumento progresivo.
Para establecer una diferencia entre la densidad de canales de sodio dependientes de voltaje, se utiliza la unión de tetrodoxtoxina marcada con tritio. De este modo se ha podido determinar que en axones no mielinizados, la densidad total de canales es muy pequeña, del orden de 35 a 500 canales de sodio por micrómetro cuadrado de membrana axonal en los diferentes tipos celulares. Por el contrario, en axones mielinizados en que los canales de sodio están concentrados directamente en el nodo de Ranvier, la densidad es mucho mayor, entre 1000 y 2000 canales por micrómetro cuadrado de membrana nodular. De este modo, mientras mayor sea la cantidad de canales de sodio sensibles a voltaje en la membrana de un axón, mayor será la velocidad con que se propague el potencial de acción, porque se permite un mayor flujo de corriente con lo que se descarga más rápidamente la capacitancia de la membrana.

Como hemos mencionado, con la mielinización también disminuye la capacitancia, recuerda que este factor es inversamente proporcional al área, por lo tanto, mientras mayor sea el radio de la membrana, menor será la capacitancia. Junto con esto, como la capacitancia en los internodos (región del axón con vaina de mielina) es más baja, el potencial se acción se propaga rápidamente, sin embargo, su velocidad disminuye cada vez que pasa por un nodo de ranvier (ver figura 1). Por este motivo, pareciera que el potencial de acción viajara a saltos. Como la corriente iónica de la membrana fluye sólo en los nódulos de las fibras mielinizadas, la conducción a saltos también es favorable desde un punto de vista metabólico, ya que es menor la energía que tiene que emplear la bomba sodio potasio para reestablecer los gradientes de concentración para los iones sodio y potasio, al exterior e interior de la célula respectivamente, el que tiene a disminuir como resultado del potencial de acción.

Figura 1: En los nervios mielinizados, los potenciales de acción se generan en los nodos de Ranvier.

A.Como la membrana del axón tiene una mayor capacitancia en los nodos de ranvier, el potencial de acción disminuye cada vez que se aproxima a un nodo y al contrario, como la capacitancia de la región internodal es menor, el potencial pasa mucho más rápido. B. En las regiones del axón que han perdido su vaina de mielina, la propagación del potencial de acción disminuye o se bloquea por completo.

Existen varias enfermedades del sistema nervioso que se provocan por culpa de la desmielinización de la membrana, como la esclerosis múltiple o el síndrome Guillain Barre. Como hemos visto, las regiones que muestran una falta de mielina, presentan una conducción del potencial de acción mucho más lenta, porque en aquí, la capacitancia se vuelve mayor lo que genera que la membrana tarde más tiempo en cargarse, por otro lado, la resistencia de membrana es menor, por lo que la corriente tiende a escapar por este punto. Por lo tanto, estos dos factores pueden combinarse para hacer más lenta y en algunos casos incluso, bloquear por completo la conducción del potencial de acción.

Resistencia axial intracelular a lo largo de los axones y dendritas

El soma de una neurona se puede considerar como una esfera, por lo que el efecto de la distancia sobre la propagación de una señal deja de ser importante. Sin embargo, en la transmisión de señales eléctricas a lo largo de las dendritas, axones y fibras musculares, una señal de voltaje inferior al umbral disminuyen en su magnitud  con la distancia. 

¿Cómo ocurre esta disminución en la propagación?

Los potenciales sinápticos que se producen en las dendritas se propagan al cuerpo celular. Sin embargo, el citoplasma de las dendritas ofrece una resistencia significativa al flujo de la corriente ya que su área transversal es relativamente pequeña, por lo que los iones que fluyen por las dendritas chocan con otras moléculas citoplasmáticas de manera que mientras más largo sea el citoplasma, más probabilidad tendrán los iones de chocar. Recuerda que la resistencia es inversamente proporcional al área, por lo tanto, mientras menor sea el radio de las dendritas, menor será la propagación de la corriente porque la resistencia será más grande. Además, mientras más larga sea la dendrita, mayor probabilidad de que los iones choquen con otras moléculas citoplamáticas. De este modo, sobre la base de los antecedentes entregados podemos decir que la variación del potencial con la distancia depende de la:

• resistencia de la membrana, rm (ohm cm)
• resistencia axial, ra, (ohm/cm) por unidad de longitud de la dendrita.

La resistencia axial se presenta en serie, por lo tanto aumenta con la longitud, de forma que rx=ra x, donde x es la distancia a lo largo de la dendrita a partir del sitio de inyección de la corriente. Al contrario de la resistencia axial, la resistencia de membrana, rm,  no varía con la longitud, de este modo, si consideramos a las dendritas como un cilindro de membrana podemos decir hay más corriente cerca del sitio de inyección de la corriente que en las regiones más distantes. 
Es importante recordar que la corriente siempre tenderá a escapar por la vía de menor resistencia, por lo que escapa antes por rm que por ra, ya que como mencionamos anteriormente, ra va aumentando con la longitud. 

Esta reducción de la propagación de la corriente con la distancia, es exponencial y se expresa como:

donde x es la distancia desde el sitio de inyección de la corriente, DV0 es el cambio de potencial de membrana producido por el flujo de corriente en el sitio de inyección y l es la constante de longitud de la membrana.

La constante de longitud de la membrana, se define como la distancia a lo largo de la dendrita hasta el sitio en el que el potencial de membrana disminuye al 37% de su valor inicial y se determina de la siguiente manera:

Cuanto mayor sea el aislamiento de la membrana (es decir, mientras mayor sea la rm) mayor será la constante de longitud, por lo tanto, el potencial se propagará una mayor distancia desde su sitio de inyección. Otro factor que ayudaría a aumentar la constante de longitud es una menor resistencia axial (mielinización y diámetro del axón afectan la propagación).
Las prolongaciones neuronales varían mucho en cuanto a su diámetro, desde 1 mm en el axón gigante de calamar hasta 1mm en las finas ramas dendríticas del cerebro de mamíferos. Estas variaciones de diámetro controlan la eficiencia de la transmisión de las señales neuronales, ya que el diámetro controla la resistencia y por su parte, las resistencia axial y de membrana, controlan la constante de longitud.
La resistencia axial se define como

donde ra es la resistencia axial y es r la resistencia específica.

Por otra parte, la resistencia de membrana se define como:

en que Rm es la resistencia específica por unidad de membrana Wcm^2.

Por lo tanto, los axones y dendritas más gruesos tendrán una constante de longitud mayor que los más estrechos y en consecuencia propagarán los cambios de potencial a través de una mayor distancia. Los valores típicos de las constantes de longitud neuronal varían entre 0.1 y 1.0 mm.

La constante de longitud es muy importante para la eficiencia de la propagación pasiva de los cambios de voltaje a través de la neurona, o conducción electrotónica. La eficiencia de la conducción electrotónica influye principalmente en la propagación del potencial de acción. La propagación de la despolarización  hace que la región de la membrana adyacente al sitio donde se generó el potencial, también alcance el umbral para generar el potencial de acción. En células con constantes de longitud más largas, las corrientes presentan una propagación mayor, razón por la cual el potencial de acción se propaga con mayor rapidez.  

Los axones de mayor diámetro son más fáciles de excitar por estímulos de corriente que los axones de diámetro más pequeños, ya que la resistencia axial de los primeros, es menor.  Por esta misma razón, los axones más grandes son reclutados para valores de corrientes más bajos ya que se depolarizan con mayor eficiencia que un axón pequeño.

Potencial de Acción

En la célula nerviosa en reposo, como vimos en la entrada Potencial de membrana, el flujo constante hacia dentro de sodio, se ve equilibrado con el flujo constante de potasio hacia fuera de la célula, de forma que el potencial de membrana es también constante.

Esta situación, sin embargo, se ve alterada cuando la membrana se depolariza más allá del umbral para generar un potencial de acción. Una vez que el potencial de membrana alcanza este umbral, muchos canales de sodio, sensibles a voltaje (estos canales son diferentes a los que se encontraban abiertos durante el reposo, ya que aquellos no requieren de estímulo para su activación) se abren, permitiendo el paso de sodio al interior de la célula. Este flujo supera al de salida de potasio, por lo tanto, la membrana celular se despolariza aún más. A su vez, este aumento en la despolarización, permite que se abran aún más canales de sodio, lo que acelera la despolarización. Como la entrada de iones sodio, supera por lejos la salida de iones potasio, el potencial de membrana se ve prácticamente sólo afectado por el sodio, arrastrando el potencial de membrana al potencial de equilibrio del sodio, el que es aproximadamente +55 mV. Sin embargo, es necesario tener presente, que el potencial de membrana nunca va a alcanzar complemente este valor, ya que el flujo de potasio hacia fuera de la célula continúa y también se produce un leve incremento de la entrada de cloruro, lo que hace que el potencial de membrana sea un poco menor que el potencial de equilibrio de sodio.

El potencial de membrana seguiría teniendo este valor positivo, cercano al potencial de equilibrio del sodio, si no fuera por dos situaciones:

• Los canales de sodio sensibles a voltaje, sufren inactivación.
• La apertura de canales de potasio sensibles a voltaje determinan que aumente gradualmente el flujo de salida de K+. El aumento de la permeabilidad de potasio es más lento que la del sodio, debido al índice más lento de apertura de los canales de potasio sensibles a voltaje.

De este modo, el aumento retardado del flujo de potasio hacia el exterior celular, sumado a la inactivación de los canales de sodio sensibles a voltaje y por ende la disminución en la conducción de sodio al interior celular, provocan la repolarización paulatina de la célula, o sea, la recuperación de su potencial de reposo (potencial de equilibrio de la membrana celular en ausencia de estímulo).
En este vídeo se muestra un resumen de lo explicado anteriormente, es bastante didáctico.

¿Cómo podemos determinar cuáles son los iones involucrados en el potencial de acción?

La primera respuesta a esta pregunta, surgió de Alan Hodgkin y Bernard Katz, quienes hallaron que la amplitud del potencial de acción disminuye cuando se reducen las concentraciones de sodio externas, lo que indica que el flujo de sodio hacia el interior celular es el responsable de la fase de elevación del potencial de acción. Sus datos también revelaron la participación del potasio en la fase de caída del potencial de acción. De este modo, Hodgkin y Katz propusieron que la despolarización de la célula causaría un breve incremento de la permeabilidad de la membrana celular para el sodio, durante el cual superaría a la dominante en la membrana celular en reposo para los iones de potasio. 
Los experimentos que demostrarían lo descrito anteriormente fueron realizados por medio del sistema de voltage clamp o pinzamiento de voltaje. La función básica del este método es interrumpir la interacción entre el potencial de membrana y la apertura y cierre de canales de membrana sensibles a voltaje. El mantenimiento del voltaje lo realiza inyectando corriente en la célula, la que es igual y opuesta a la que fluye a través de los canales de iones sensibles a voltaje.
Un experimento típico de voltage clamp, comienza con el mantenimiento del potencial de membrana en su potencial de reposo. Si se envía un potencial de despolarización de 10 mV se observará una descarga muy breve de salida correspondiente a la corriente capacitiva. Esta corriente va seguida de otra, también de salida, más pequeña y que persiste durante todo el pulso despolarizante (ver figura 1). Al final del pulso se puede ver una pequeña corriente de entrada. Esta corriente corresponde a la capacitiva nuevamente. Luego de esto, la corriente de la membrana regresa a cero.

Figura1: Una pequeña despolarización va acompañada de corrientes capacitivas y de fuga.

La corriente iónica que se ve luego de la capacitiva, es la llamada corriente de fuga o corriente de leak. Ésta, se produce gracias a los canales de reposo, que siempre están abiertos (aún en ausencia de estímulo) y que además son los responsables del potencial de reposo de la membrana celular.
Si se envía una pulsación de despolarización mayor, entonces el registro de la corriente se complica un poco. Por una parte, la amplitud de la corriente capacitiva y la de fuga, aumentan. Además como puedes observar de la figura 2, luego de la corriente capacitiva de salida y al comienzo de la de fuga, se produce una corriente de entrada, la que se mantiene  durante unos pocos milisegundos para dar lugar a una gran corriente de salida. Esta corriente de salida se mantendrá durante todo lo que dure el pulso.

Figura 2, una despolarización mayor induce corrientes capacitivas y de fuga más grandes, más una corriente de entrada y otra de salida.

Una explicación para este resultado es que la despolarización de membrana produce la apertura de dos canales por separado, uno que promoverá el flujo de iones hacia dentro de la célula y otro que promoverá la salida de iones de la célula.

Para poder determinar de qué iones se trataba y por ende, qué canales son lo que se abren, Hodgkin y Huxley comenzaron por reemplazar el sodio extracelular por un catión más grande y no permeable, como la colina. Con esto, fueron capaces de eliminar la corriente de entrada y pudieron determinar que ésta efectivamente era producida por el ion sodio. Posteriormente utilizaron bloqueadores, como tetrodotoxina (TTX). Esta molécula es un veneno procedente de un tipo de pez globo, el cual bloquea selectivamente los canales de sodio dependientes de voltaje con una potencia muy elevada en el orden de nanomoles.

Otro bloqueador sumanente importante en biofísica es el tetraetilamonio (TEA). Esta molécula es un bloqueador selectivo de los canales de potasio sensibles a voltaje, de modo que al aplicar TEA al axón, se puede ver una pérdida de la corriente de salida correspondiente al potasio (figura 3).

Figura 3: Si se despolariza la célula en presencia de tetrodotoxina (TTX) que bloquea las corrientes de sodio y luego en presencia de tetraetilamonio (TEA) que bloquea la corriente de potasio, podemos ver que se pierde la corriente de entrada y de salida respectivamente.




Los canales de sodio y de potasio sensibles a voltaje, presentan algunas similitudes como que a medida que aumenta la despolarización, ambos aumentan su probabilidad de apertura y su velocidad de apertura. Sin embargo, también presentan diferencias además de su selectividad, ya que difieren en cuanto a su velocidad de apertura y a su respuesta frente a una despolarización prolongada. Siempre, frente a cualquier despolarización, los canales de sodio se van a abrir más rápido que los canales de potasio sensibles a voltaje. Además, frente a una despolarización prolongada, los canales de sodio dejan de conducir debido a que sufren inactivación. Al contrario, los canales de potasio no se inactivan, sino que permanecen abiertos todo el tiempo que la membrana está despolariza

Figura 4: los experimentos de voltage clamp muestran que los canales de sodio se abren muy rápidamente, pero se inactivan frente a un pulso prolongado, mientras que los canales de potasio, muestran un aumento en su conductancia más lento, pero se mantiene todo el tiempo que se da el pulso de corriente.

Por lo tanto, con la figura 4 nos podemos dar cuenta que los canales de sodio sensibles a voltaje sufren tres transiciones frente a una despolarización: CERRADO-ABIERTO-INACTIVADO.

Con la despolarización, el canal de sodio pasa de un estado cerrado al estado abierto. Si la despolarización es breve, los canales de sodio vuelven inmediatamente al reposo, mientras que si se mantiene el pulso despolarizante, el proceso que continúa al estado abierto es el estado inactivado. Una vez que el canal se inactiva, NO se vuelve a activar con una nueva despolarización. La inactivación puede ser revertida solamente con una hiperpolarización, es decir, con un potencial de reposo muy negativo, que permite al canal pasar del estado inactivo al cerrado. Este cambio, además, requiere algún tiempo, porque los canales abandonan el estado inactivado de una forma relativamente lenta.

Los canales de sodio dependientes de voltaje, presentan dos clases de compuerta, cuya apertura simultánea permite el flujo de corriente. Cuando la membrana está en un potencial negativo de reposo, hay una compuerta de activación que se mantiene cerrada, mientras que la compuerta de inactivación se encuentra abierta y se cierra lentamente frente a una despolarización. Esto provoca que el canal no conduzca sino sólo durante un breve periodo de la despolarización, en el que ambas compuertas estarán abiertas. La repolarización invierte ambos procesos, o sea, cierra rápidamente la compuerta de activación y abre lentamente la de inactivación.

Figura 5: Los canales de sodio sensibles al voltaje tienen dos compuertas, que responden de forma opuesta a la despolarización. En estado de reposo (cerrado), la compuerta de activación está cerrada y la de inactivación abierta (1). Con la despolarización, la puerta de activación se abre mientras que la de inactivación se cierra lentamente. Durante el tiempo que demora la puerta de inactivación en cerrarse, se produce el flujo de iones de sodio al interior celular (2). Cuando se cierra la compuerta de inactivación, los canales entran en estado inactivado (3). Con la repolarización, primero se cierra la compuerta de activación y luego se abre la de inactivación (1).


Resumen: El estado de despolarización del potencial de acción limita entonces la duración de éste de dos maneras:

• inactivando de forma gradual los canales de sodio y reduciendo la conductancia del  sodio.
• abriendo, con cierto retraso, los canales de potasio sensibles a potencial, con lo que aumenta la conductancia de potasio. 

En consecuencia, la corriente de sodio hacia dentro va seguida de la corriente de potasio hacia fuera que tiende a repolarizar la membrana. En la mayoría de las células nerviosas, se produce una hiperpolarización posterior al potencial de acción. Este aumento de potencial, muy breve, se produce porque los canales de potasio que se abren durante el potencial de acción, se cierran incluso un tiempo después de que el potencial de membrana haya vuelto a su valor de reposo.

El potencial de acción va seguido de un breve periodo de menor excitabilidad, o refractario, el que se puede dividir en dos fases:

• Periodo refractario absoluto: se produce inmediatamente después del potencial de acción. Durante este periodo es IMPOSIBLE excitar la célula, sin importar cuan grande sea la despolarización.
• Periodo refractario relativo: este periodo sigue inmediatamente al refractario absoluto. Durante éste, es posible desencadenar un potencial de acción siempre y cuando el estímulo que se aplique, sea mayor al que se necesita para lograr normalmente el umbral.

Ambos periodos refractarios en conjunto, no duran más que unos poco milisegundos y se producen por la inactivación de los canales de sodio y la activación de los canales de potasio, dependientes de voltaje.

Otra regla importante en el potencial de acción, es la del todo o nada, donde un milivoltio puede provocar la diferencia entre la generación o no de un potencial de acción. Esta diferencia se produce gracias al mayor número de canales de sodio sensibles a voltaje, frente a los canales de potasio.


Inactivación de canales de sodio dependientes de voltaje
Hodgkin y Huxley desarollaron un tipo de experimento para caracterizar el proceso de inactivación, conocido como protocolo de doble pulso. Para entenderlo mejor, pondré un ejemplo (figura 6). Supongamos un primer pulso que varíe entre -90 a -30 mV y un segundo pulso que se mantenga siempre en 0 mV. Cuando exista inactivación en los canales, se verá que mientras mayor sea la despolarización provocada por el primer pulso largo, menor será la corriente durante el segundo pulso, ya que aumenta el número de canales inactivados. El efecto del primer pulso se desarrolla con el tiempo, donde la inactivación será mínima a tiempos cortos y se hará más pronunciada a medida que el prepuso se alarga. Este protocolo se puede hacer con diferentes amplitudes del prepulso para determinar de este modo las constantes de tiempo de la inactivación en función del potencial de membrana.

Figura 6: protocolo de doble pulso para determinar inactivación en función del potencial de membrana, donde se muestra un primer pulso o prepulso largo, para favorecer la inactivación.

La inactivación sólo se recupera con una hiperpolarización y en transcurso del tiempo. Por este motivo, otro protocolo de doble pulso permite medir la recuperación de la inactivación. Para esto, se aplican dos pulsos de igual magnitud como los mostrados en la figura 7, donde se varía el tiempo entre los pulsos. 

Figura 7: Experimento de dos pulsos desde su analiza la recuperación de la inactivación de los canales. Luego del primer pulso se regresa a un potencial hiperpolarizante como es el Vm.

Lo que deberíamos esperar de este protocolo, es que mientras más largo sea el tiempo entre los pulsos, mayor sea la recuperación de la inactivación de los canales de sodio. De tal forma, en caso que el tiempo sea suficiente para recuperar la inactivación de todos los canales, la corriente del segundo pulso sería igual en magnitud a la del primer pulso.